INOVACE PŘEDMĚTU MIKROELEKTRONICKÉ SYSTÉMY - LOKÁLNÍ A VZDÁLENÁ SPRÁVA ŘÍDICÍCH SYSTÉMŮ

Transkript

1 VŠB TECHNICKÁ UNIVERZITA OSTRAVA Fakulta strojní KATEDRA AUTOMATIZAČNÍ TECHNIKY A ŘÍZENÍ INOVACE PŘEDMĚTU MIKROELEKTRONICKÉ SYSTÉMY - LOKÁLNÍ A VZDÁLENÁ SPRÁVA ŘÍDICÍCH SYSTÉMŮ Závěrečná zpráva grantového projektu Fondu rozvoje VŠ MŠMT ČR F1/a/2691/2006 Odpovědný řešitel: Ing. Jaromír Škuta, Ph.D. Ostrava prosinec 2006

2 Závěrečná zpráva grantového projektu FR MŠMT ČR -1- Obsah ÚVOD 2 POČÁTEČNÍ STAV ŘEŠENÉ PROBLEMATIKY 2 CÍLE ŘEŠENÍ A ZPŮSOB JEJICH SPLNĚNÍ 2 PREZENTACE VÝSLEDKŮ ŘEŠENÍ GRANTOVÉHO PROJEKTU 4 NÁVAZNOST 5 ČERPÁNÍ FINANČNÍCH PROSTŘEDKŮ 5 HOSPODAŘENÍ S PROSTŘEDKY FONDU ROZVOJE A VŠ ZA ROK ZÁVĚR 6 POUŽITÁ LITERATURA 7 PŘÍLOHA 1. ZMĚNA OBSAHU PŘEDMĚTU MIKROELEKTRONICKÉ SYSTÉMY 8

3 Závěrečná zpráva grantového projektu FR MŠMT ČR -2- Úvod Tato závěrečná zpráva se týká grantového projektu Fondu rozvoje vysokých škol České republiky, který byl řešen na katedře Automatizační techniky a řízení, Fakulty strojní VŠB - TU Ostrava, v roce 2006 po dobu jednoho roku. Grantový projekt byl zařazen do kategorie F1/a - Inovace studijních předmětů a jeho cílem bylo rozšíření osnov předmětu Mikroelektronické systémy o problematiku dálkové správy řídicích systémů. Pro praktické cvičení této problematiky bylo vytvořeno specializované pracoviště a byly vytvořeny konfigurační moduly umožňující demonstrovat jak lokální, tak vzdálenou správu řídicích systémů. Dále byly vytvořeny učební texty pro výuku této problematiky. Současně je projekt konkrétním příspěvkem k zlepšení experimentální složky výuky magisterského studia oboru Automatické řízení a inženýrská informatika. Počáteční stav řešené problematiky V laboratořích katedry ATŘ 352, Fakulty strojní, VŠB TU Ostrava, byly v rámci diplomových a bakalářských prací vytvořeny modely reálných technologií. Tyto laboratorní úlohy používají pro řízení systémy na basi jednočipových počítačů, PLC, IPC. Tak jako v reálných podmínkách se jednotlivé úlohy od sebe liší podle toho jaký řídicí systém použijeme a jakou technologii řídíme. Pro všechny tyto úlohy byl použit na vyšších stupních hierarchické struktury SCADA/MMI systém Control Web 2000 nebo Control Web 5. Tyto úlohy se využívají v rámci cvičení z předmětů Mikroelektronické systémy, Prostředky automatického řízení, Měření a senzorová technika, Měření a senzory. Tyto úlohy pracovaly nezávislé na sobě a odděleně. V programu předmětu Mikroelektronické systémy je velká část věnována řídicím systémům na nejnižší úrovni. Jejich konfigurace je z pohledu vzdáleného přístupu dosti omezená. Lze ji provádět právě prostřednictvím SCADA/MMI systémů. Cíle řešení a způsob jejich splnění V přihlášce grantového projektu byly vytýčeny následující cíle: 1. Rozšíření výuky předmětu Mikroelektronické systémy - zpracovat návrh a zkonfigurovat pracoviště umožňující vzdálený přístup k dílčím

4 Závěrečná zpráva grantového projektu FR MŠMT ČR -3- řídicím subsystémů na bázi jednočipových počítačů, programovatelných logických automatů a průmyslových PC. 2. Rozšíření znalostí studentů o nové trendy v problematice návrhu hierarchických řídicích systémů. 3. Vytvoření mobilního pracoviště pro reálnou výuku této problematiky - rozšířit laboratoř reálných modelů, zaměřenou na výuku v oblasti prostředků automatizační techniky, o mobilní pracoviště specializující se na dálkovou správu a konfiguraci řídicích podsystémů a použít toto pracoviště při praktických cvičeních. Rozšíření a modifikace stávajících laboratorních úloh o programové moduly umožňující vzdálenou správu. Vytvoření speciálních modulů spustitelných na mobilním pracovišti a podporující komunikací s dílčími řídicími podsystémy. Ověření funkčnosti a možností tohoto mobilního pracoviště 4. Vytvoření technické dokumentace a její následné využití ve výuce - vytvoření doprovodného učebního textu k tomuto pracovišti pro následné využití ve výuce. Tento doprovodný učební text bude rozšiřovat již existující škálu učebních textů dostupných na www serveru fakulty ( 5. Vytvoření metodiky návrhu těchto systémů. 6. Prezentace dosažených výsledků na konferencích - prezentace dosažené výsledků před odbornou veřejností, předpokládá se účast na konferencích zaměřených na výukový proces, kterých se řešitel již v minulosti několikrát účastnil a získal z nich řadu podnětů pro vlastní práci, např. Seminář ASŘ 2006 (Pořadatel: VŠB-TU Ostrava, FS, místo konání: Ostrava). Tyto cíle jsou splněny následujícím způsobem: Ad.1 Byla rozšířena osnova předmětu Mikroelektronické systémy o problematiku tvorby SCADA/MMI aplikací pro dálkovou a lokální správu řídicích systémů s využitím nástrojů systému Control Web 2000 a Control Web 5 jako jsou lokální a vzdálené moduly, CwNetDrv ovladač, HTTPD komponenta. V rámci inovované výuky se studenti seznámí jak s tvorbou těchto aplikací, postupem při návrhu jednotlivých modulů, tak

5 Závěrečná zpráva grantového projektu FR MŠMT ČR -4- s vazbami mezi nimi, tj. datovým propojením dílčích části hierarchické struktury řízení, což je důležitou části pro dálkovou správu řídicích systémů. Důležitým přínosem je i zobecnění návrhu těchto řídicích systémů. Ad.2 Byly vytvořeny podklady ve formě učebních textů, které se zabývají použitým SCADA/MMI systémem (Control Web 2000, Control Web 5), jeho nástroji a vlastnostmi umožňující návrhy a realizace systémů pro dálkovou správu. Byly zohledněny nejnovější technologie a trendy v této problematice. Ad.3 Z prostředků grantu bylo financováno a vytvořeno nové mobilní pracoviště umožňující dálkovou správu vybraných laboratorních úloh. Pro toto pracoviště bylo nutno modifikovat nebo vytvořit moduly v systému Control Web 2000, Control Web 5 podporující dálkovou správu řídicích systémů. Dále byly rozšířeny stávající laboratorní úlohy o nové technické prostředky (IPC DataLab PC1200, PC/LCD) hlavně s ohledem na rostoucí nároky systému Control Web 5. Ad.4 V průběhu řešení projektu vznikalo mnoho doprovodných učebních textů jak pro popis dílčích laboratorních úloh a jejich návrh, tak pro zvládnutí obecných postupů návrhů těchto řídicích systémů. Ad.5 S ohledem na vybraný SCADA/MMI systém jeho nástroje a možnosti byla vytvořena obecná metodika návrhu systému pro dálkovou správu řídicích systémů, která se stala součásti výuky. Ad. 6 Jedním z výstupů grantového projektu byla publikace příspěvku na konferenci ARaP Jelikož byly použity také části aplikací a zkušenosti z let předcházejících je nutno připomenout v této souvislosti příspěvky z předešlých konferencí např. ASŘ Za prezentací výsledků lze považovat i učební texty pro výuku předmětu Mikroelektronické systémy umístěné na Prezentace výsledků řešení grantového projektu Výsledky řešení jsou zpracovány ve formě závěrečné zprávy hodnotící dosažené cíle, poznatky z realizace a z ověřování konkrétních výstupů. Zpráva bude

6 Závěrečná zpráva grantového projektu FR MŠMT ČR -5- publikována ve formátu WWW stránek na fakultním WWW serveru, který je dostupný na URL adrese Prezentací výsledků jsou i učební texty umístěné na výukovém serveru Realizované postupy a výsledky byly průběžně prezentovány na odborných akcích pořádaných vysokoškolskými pracovišti příbuzných oborů a zařazovány do výukového procesu. Do prezentace výsledků řešení grantového projektu lze zařadit referáty na konferencích (konference konající se v blízké budoucnosti). Dílčí výsledky byly již prezentovány např. na konferenci ARaP ŠKUTA, J. Dálková správa řídicích systémů v prostředí Control Web 5. In Automatizace, regulace a procesy Dimart s.r.o.. Brno, 21,-22, ISBN: Prezentací je zajisté i možnost využití mobilního pracoviště při výuce předmětů zabývajících se touto nebo podobnou problematikou. Návaznost Výsledky tohoto projektu navazuji na předešlé trendy ve výuce předmětů zabývajících se problematikou řízení a automatizaci na Katedře automatizační techniky a řízení Strojní fakulty, především v oblastí monitorování a konfigurace pomocí SCADA/MMI systémů. Vytvořené mobilní pracoviště umožňuje studentům v rámci praktických cvičení reálně pracovat s řídicími systémy laboratorních úloh a provádět jejich konfiguraci a vzdálenou správu. Při vzdálené správě jsou využity nejnovější technologie, se kterými se budou setkávat i v technické praxi. Tato cvičení jim umožní lepší přípravu pro budoucí uplatnění v praxi. Čerpání finančních prostředků Čerpání finančních prostředků bylo v souladu s plánovanými cíly a finanční rozvahou grantového projektu. Na řešení projektu bylo přiděleno ,- Kč v kategorii NIP (dotace FRVŠ) a ,- Kč (dotace pracoviště). Mzdové prostředky na řešení projektu zahrnují pouze symbolické odměny pro řešitele 8 000,- Kč. Přidělené finanční prostředky byly využity na vytvoření mobilního pracoviště umožňující dálkovou správu vybraných laboratorních úloh (40 000,-Kč), pro inovaci a

7 Závěrečná zpráva grantového projektu FR MŠMT ČR -6- vybavení experimentálních pracovišť v laboratoři H 303 (PC/LCD400, PC1200, IO DataLab. 80 tis. Kč) a pro provozní materiál zajišťující tvorbu nových úloh a výuku (zálohovací média, el. součástky, externí pam. jednotky, náplň do tiskárny ,- Kč), které budou dále využívány, jak ve výuce studentů magisterského i bakalářského studia, tak i pro samostatnou činnost studentů v rámci řešení svých diplomových a disertačních prací. Vybrané laboratorní úlohy umožňují vzdálenou správu z mobilního pracoviště s využitím WIFI technologie jak v rámci intranetu tak v rámci internetu přes VPN klienta. Přehled čerpání prostředků z FR VŠ je uveden v následující tabulce. Drobné změny financováni v jednotlivých položkách byly způsobeny rozdílem cen požadovaných komponent v době podání přihlášky a cen stávajících. Hospodaření s prostředky Fondu rozvoje a VŠ za rok 2006 Technické prostředky Mobilní pracoviště (Přenosný komunikační terminál s rozhraním ) Inovace stávajících úloh (PC/LCD400, PC1200, DataLab ) Rozšíření lab.úloh (WL167, HDD, materiál GM, AP, Paměť ) Plánovaná částka [Kč] Použitá částka [Kč] , , , , , ,- Součásti financování projektů byla finanční odměna řešiteli, dle schváleného rozpočtu přihlášeného projektu (8 tis. Kč). Závěr Výsledky řešeného grantu rozšíří možnosti praktické výuky na Katedře automatického řízení Fakulty strojní VŠB-TU Ostrava o dálkovou správu řídicích systémů s využitím prostředí SCADA/MMI (Control Web 2000 a Control Web 5). Vzniklé mobilní pracoviště umožní studentům lépe pochopit možnosti, výhody a způsoby nasazení takovýchto systémů v reálných podmínkách. Lze si na reálných modelech ověřit a otestovat nástroje SCADA/MMI systémů umožňující dálkovou správu řídicích systémů na nejnižší úrovni řízení jak pomocí datové sítě tak pomocí průmyslových sítí. Přínosem je i možnost rozšíření tohoto pracoviště o dálkovou správu nově vznikajících modelů např. v rámci diplomových a bakalářských prací.

8 Závěrečná zpráva grantového projektu FR MŠMT ČR -7- Výsledky tohoto grantu jsou součástí inovace obsahu předmětu Mikroelektronické systémy v části zabývající se touto problematikou v rozsahu 3-4 přednášek a cvičení. Vzniklé doprovodné učební texty jsou přístupné na adrese v rámci intranetu pro studenty fakulty. Při řešení tohoto grantu vznikly v rámci diplomových prací úlohy, na kterých lze demonstrovat dálkovou správu řídicích systémů s využitím LAN sítě, WLAN a ILAN. Financování projektu z prostředků FRVŠ významně pomohlo k dalšímu zkvalitnění magisterského studia absolventů Fakulty strojní, VŠB-TU Ostrava. Použitá literatura [1] CONTROL WEB Manuál. Alcor - Moravské přístroje, a.s.,1995. Dostupný z www: <URL:http// [2] DEMBOWSKI, K., HEINIGE, K. & SCHMIED, L PC v tabulkách. UNIS Publishing s.r.o [3] GARETT, P Computer Interface Engineering for Real-Time Systems. New Jersey, Pr. Hall New Jersey, 1987, ISBN [4] HRBÁČEK, J Komunikace mikrokontroléru s okolím. Praha, BEN-technická literatura, 1999, ISBN [5] INTOUCH Webové stránky. Dostupné z www: <URL:http// >. [6] I&C Energo Webové stránky. Dostupné z www: <URL:http// [7] KAINKA, B Využití rozhraní PC, měření, řízení a regulace pomocí standardních portů PC. Praha, HEL, 1997, ISBN [8] MALINA, Z Promotic 2000 software pro vizualizaci a řízení. Automa, červen 2001, č. 6. [9] MAŘÍK, V Aktuální trendy v průmyslové automatizaci. Automatizace, listopad 2002, č. 11. [10] OSTERLOH, H TCP/IP kompletní průvodce. Praha, Softpress ISBN [11] ŠKUTA, J Web Cam Using for Real-time Tasks Monitoring in Control Web 2000 System. In Proceedings of 3rd International Carpathian Control Conference. Ostrava, VŠB TU Ostrava, , s ISBN [12] ŠKUTA, J. Využití krokového motoru k natáčení směrové antény pro wi-fi komunikaci. In WORKSHOP Ostrava : FS VŠB-TU Ostrava, , 4 s. ISBN [13] ŠKUTA, J. Ovládání a monitorování alarmu pomocí PIC16F84A. In Proceedings of XXX. Seminary ASR '05 Instruments and Control. Ostrava : Katedra ATŘ, VŠB-TU Ostrava, , s ISBN [14] VACEK, V Praktické použití procesoru PIC. Praha, BEN-technická literatura, 1999, ISBN [15] VLACH, J Počítačová rozhraní, přenos dat a řídicí systémy. Praha, BENtechnická literatura, 1997, ISBN

9 Závěrečná zpráva grantového projektu FR MŠMT ČR -8- Příloha 1. Změna obsahu předmětu Mikroelektronické systémy Obsah předmětu Mikroelektronické systémy pro letní semestr 2004/ Př. Úvodní seznámení - obsah předmětu, základní zákony elektrotechniky, rozšíření rozsahů měřicích přístrojů, základní typy el. signálů, simulace el. obvodů pomocí PC. 2. Př. Pasivní obvodové prvky a jejich vlastnosti a řazení ( rezistor, odpor, cívka), polovodičové součástky (dioda, tranzistor, tyristor, triák), tvorba tištěných spojů. 3. Př. Operační zesilovače, vnitřní struktura, základní zapojení a jejich využití pro zpracování signálů. Obsah inovovaného předmětu Úvodní seznámení - obsah předmětu, základní zákony elektrotechniky, rozšíření rozsahů měřicích přístrojů, základní typy el. signálů, simulace el. obvodů pomocí PC. Pasivní obvodové prvky a jejich vlastnosti a řazení ( rezistor, odpor, cívka), polovodičové součástky (dioda, tranzistor, tyristor, triák), tvorba tištěných spojů. Operační zesilovače, vnitřní struktura, základní zapojení a jejich využití pro zpracování signálů. 4. Př. Převodníky U/U, I/U, U/I, U/f, f/u,., speciální IO Převodníky U/U, I/U, U/I, U/f, f/u,., speciální IO pro zpracování signálů. pro zpracování signálů. 5. Př. Převodníky U/U, I/U, U/I, U/f, f/u,., speciální IO Převodníky U/U, I/U, U/I, U/f, f/u,., speciální IO pro zpracování signálů (Pokračování). pro zpracování signálů (Pokračování). 6. Př. Typy modulací signálů a princip jejich realizace. Typy modulací signálů a princip jejich realizace. 7. Př. Jednočipové mikropočítače řady PIC, vnitřní struktura, popis a přístup k registrům. Jednočipové mikropočítače řady PIC, vnitřní struktura, popis a přístup k registrům. 8. Př. Vývojové prostředí pro tvorbu programu (jednočipové mikropočítače řady PIC). Základní instrukce a tvorba algoritmu dle zadání úlohy. Vývojové prostředí pro tvorbu programu (jednočipové mikropočítače řady PIC). Základní instrukce a tvorba algoritmu dle zadání úlohy. 9. Př. Rozšiřující moduly pro vyšší řady procesorů PIC. Rozšiřující moduly pro vyšší řady procesorů PIC. 10. Př. Nasazení SCADA/MMI pro monitorování a řízení, volba OS, vývojové prostředí Control Web Nasazení SCADA/MMI pro monitorování a řízení, volba OS, vývojové prostředí Control Web Př. Vývojové prostředí Control Web 2000 (pokračování). Vývojové prostředí Control Web 2000 (pokračování). 12. Př. Postupy při tvorbě rozsáhlých distribuovaných systémů řízení, otevřenost SCADA/MMI systémů, využití LAN, MODEMY. Možnosti dálkové správy řídicích systémů na nejnižší úrovni řízení ( propojení řídicích systémů s nadřazenou úrovni, definice vazeb mezi jednotlivými úrovněmi, definice rozhraní z pohledu dálkové správy řídicích systémů ). 13. Př. Možnosti propojení SCADA/MMI systému s technickými prostředky na nejnižší úrovni Přenosové cesty pro konfiguraci řídicích systémů řízení na nejnižší úrovni (možnosti systému Control hierarchické struktury řízení, průmyslové sítě ILAN. Web 5, komunikace pomocí LAN, WLAN a ILAN ). 14. Př. Časová rezerva Systémový návrh pracovišť určených pro vzdálenou konfiguraci řídicích systémů hierarchické struktury řízení. První dvě přednášky a cvičení (12, 13) jsou věnovány základním stavebním prvkům systému Control Web 2000 a Control Web 5, které umožňují dálkovou správu řídicích systémů. Jsou zde také definovány možnosti a způsoby konfigurace řídicích systémů na nejnižší úrovni řízení. V závěrečné přednášce (14) jsou všechny tyto nabyté zkušenosti využity pro systémový návrh aplikací v systému Control Web 2000 nebo Control Web 5 podporující dálkovou správu řídicích systémů.

10 Závěrečná zpráva grantového projektu FR MŠMT ČR -9- Vlastní cvičení se skládat ze dvou části z nichž jedna je věnována procvičování látky probrané na přednáškách. V druhé části cvičení studenti pracují ve skupinách na zadaných projektech (tvorba samostatných modulů systému Control Web 5 s definovaným rozhraním pro komunikaci mezi sebou) jejichž součástí je dálková správa řídicích systémů. Zde se naučí týmové práci, která je při řešení těchto rozsáhlých projektů nutností.